（材料物理与化学专业论文）直拉单晶硅的晶体生长及缺陷研究.pdf

摘要 单晶硅是微电子工业的基础材料，广泛用于集成电路和功率半导体器件的制造，成为当 今信息社会的基石。在可预见的将来，它仍将在信息社会中发挥极其重要的作用。随着集成 电路特征线宽的不断减小，对直拉单晶硅片提出了“大直径、无缺陷”的要求。目前，3 0 0m i l l 的直拉硅片已经成为集成电路的主流材料。为了使集成电路的有源区无缺陷及增强硅片的内 吸杂能力，包括浙江大学硅材料国家重点实验室在内的国内外研究机构提出了在直拉硅中掺 氮的新技术途径。开发3 0 0 r a m 掺氮直拉单晶硅和研究其杂质和缺陷的性质，无疑具有重要 的实际意义，可以为提供高质量的集成电路用硅片打下坚实的基础。同时，开发极低电阻率 的重掺n 型直拉硅单晶、研究掺氮对改善重掺n 型硅单晶性能的作用，对于开发高性能的 功率半导体器件具有重要的现实意义。 本文重点研究了3 0 0 r a m 掺氮直拉硅单晶的晶体生长、原生氧沉淀、内吸杂以及原生缺 陷在热处理工艺中的演变；同时，研究了极低电阻率的普通和掺氮的重掺砷和重掺磷直拉硅 单晶的晶体生长、氧沉淀以及它们在器件中的应用情况。本文在以下方面取得创新性的结果： 1 在设计合理热场和优化晶体生长工艺参数( 包括：拉速、晶转、埚转、埚位、保护气体 流量和工作气压等) 的基础上，采用具有我国自主知识产权的氮含量可控的气相掺氮技 术，在国内首次成功地生长出3 0 0 r a m 掺氮直拉硅单晶。 2 研究了3 0 0 m m 掺氮直拉硅片的原生氧沉淀的形成规律。采取从低温( 6 0 0 。c 一1 0 0 0 0 c ) 开始缓慢升温至高温( 1 1 5 0 0 c ) 并保温若干时间的方法，使得直拉硅片中大于起始温度 对应的氧沉淀临界尺寸的那一部分原生氧沉淀得以长大，研究了3 0 0 m m 掺氮直拉硅片 的原生氧沉淀的径向分布。研究表明：氧沉淀异常区域( 称为p 区) 的原生氧沉淀密度 显著高于空位型缺陷区域( 称为v 区) ；此外，v 区中的原生氧沉淀的尺寸分布是不连续 的，表现为高温下形成的大尺寸原生氧沉淀和低温下形成的小尺寸氧沉淀，而p 区中的 原生氧沉淀的尺寸分布则是连续的，并阐述了其形成机制。 3 研究了3 0 0 m m 掺氮直拉硅片的空洞型缺陷的消除技术。通过研究硅片流动图形花样缺 陷( f p d ) 的密度随高温热处理演变的情况，揭示了空洞型缺陷在高温下的消除情况。 研究表明：在常规热退火处理时，在氩气保护气氛下1 2 0 0 c 处理4 h 可以显著地消除空 洞型缺陷。在快速热处理( r t p ) 时，蔚保护气氛下1 2 0 0 c 热处理3 0 s 并以5 0 s 的 i i 速率降温时能显著消除空洞型缺陷。 4 研究了3 0 0m m 掺氮直拉硅片的基于缓慢升温c r a m p i n g ) 退火的新型内吸杂工艺。即： 从低温( 8 0 0o c 及以下的温度) 缓慢升温至高温( 1 0 5 0o c 及以上) ，并在该温度下保温， 一方面使硅片体内的原生氧沉淀长大而形成高密度的b m d ，另一方面使近表面区域的 氧沉淀在高温下消融而形成洁净区。s i r m 以及择优腐蚀结合光学显微镜观察都表明： 经过适当的r a m p i n g 退火，n c z 硅片可以形成洁净区和b m d 区，从而具有内吸杂功能。 研究还表明：在相同的高温处理条件下，起始温度越低，b m d 密度越高而洁净区宽度 越小；而在起始温度相同时，终点温度越高，b m d 密度越低而洁净区宽度越大。此外， 在一定的高温处理条件下，若起始温度太低，将导致洁净区不能形成。与常规的基于高 - 低一高三步热处理的内吸杂工艺相比，上述基于r a m p i n g 退火的内吸杂工艺具有热预算 低的优点。 5 研究和开发了极低电阻率的普通和掺氮的重掺砷和重掺磷直拉单晶硅的晶体生长技术。 为解决重掺磷和重掺砷面临的掺杂剂严重挥发、组分过冷和生长界面翻转困难等因素对 晶体生长造成严重障碍这一问题，设计了特定的热场和掺杂工具，获得3 项国家发明专 利。在此基础上，通过优化晶体生长工艺，成功生长出晶体头部电阻率分别不超过 0 0 0 3 d c m 和0 0 0 1 5 q c m 的极低电阻率的重掺砷和重掺磷直拉单晶硅，并实现了大规 模生产，取得显著的经济和社会效益。同时，还研究了掺氮对重掺磷和重掺砷直拉单晶 硅氧沉淀的影响，表明掺氮可显著增强这两种重掺n 型单晶硅的氧沉淀。利用这一特点， 开发了具有高内吸杂能力的以掺氮的重掺磷或重掺砷硅片为衬底的硅外延片。试验表 明，该种外延片用于制造m o s f e t 功率器件时，可显著减小漏电流。 关键词：直拉硅，缺陷，氧沉淀，空洞型缺陷，掺氮，内吸杂，重掺杂，热场 a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rs i l i c o ni st h eb a s i sm a t e r i a lf o rm i c r o - e l e c t r o n i ci n d u s t r y i nt h ef o r e s e e a b l e f u t u r e ，i tw i l ls t i l lp l a ya ne x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l ei nt h ei n f o r m a t i o ns o c i e t y o no n eh a n d ，t h e d e c r e a s i n gf e a t u r es i z eo fi n t e g r a t e dc i r c u i t s ( i c s ) d e m a n d sc z o c h r a l s k i ( c z ) s i l i c o nw a f e r s t ob e o fl a r g ed i a m e t e ra n dt ob ed e f e c t - f r e e p r e s e n t l y , 3 0 0i n l nc zs i l i c o nw a f e r sa r et h em a i n s t r e a m m a t e r i a l sf o ri c s i no r d e rf o rt h ea c t i v ea r e a so fi c st ob ed e f e c t f r e e ，at e c h n o l o g i c a ls t r a t e g yo f n i t r o g e n - c o d o p i n gh a sb e e nr e c e n t l yp r e s e n t e df o rc zs i l i c o n a c c o r d i n g l y , t h ed e v e l o p m e n to f 3 0 0r a i nn i t r o g e n - d o p e dc zs i l i c o nw i l lp r o v i d eh i 【g hq u a l i t ys t a r t i n gm a t e r i a l sf o ri c s o nt h e o t h e rh a n d ，a sa ni m p o r t a n tp a r to fd i s c r e t es e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，t h ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s h a v ef o u n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o n si n a u t o m o b i l e ，c o m p u t e ra n dc o n s u m e re l e c t r o n i c s t h e y c o n t r i b u t es i g n i f i c a n t l yt ot h eg r o w t ho fm i c r o e l e c t r o n i ci n d u s t r y m o s to ft h ep o w e re l e c t r o n i c d e v i c e sa r ef a b r i c a t e du s i n gt h es i l i c o ne p i t a x i a lw a f e r so fn n + s t r u c t u r e i nt h i sc a s e ，t h ef o r w a r d p o w e rd i s s i p a t i o no ft h ed e v i c e si sc l o s er e l a t e dt ot h er e s i s t i v i t yo ft h es u b s t r a t e sf o re p i t a x i a l w a f e r s t h e r e f o r e ，t h es u b s t r a t er e s i s t i v i t ys h o u l db em i n i m i z e di no r d e rt or e d u c et h ep o w e r d i s s i p a t i o no ft h ed e v i c e s i nt h i sc o n t e x t d e v e l o p i n gh e a v i l yd o p e dn - t y p ec zs i l i c o nw i t h e x t r e m e l yl o wr e s i s t i v i t yi so fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a d d r e s s i n gt h ea b o v e m e n t i o n e da s p e c t s ，i n t h i sd i s s e r t a t i o nt h eg r o w t ht e c h n o l o g i e sf o r3 0 0l n n ln i t r o g e nd o p e dc z ( n c z ) s i l i c o na n d15 0 t o n ih e a v i l ya r s e n i c p h o s p h o r u sd o p e dc zs i l i c o nw i t he x t r e m e l yl o wr e s i s t i v i t yh a v e b e e n e x p l o i t e d m o r e o v e r , t h ef o r m a t i o n , a n n i h i l a t i o na n dm a n i p u l a t i o no ft h e d e f e c t si nt h e a f o r e m e n t i o n e dc zs i l i c o nc r y s t a l sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h ep r i m a r yr e s u l t sa c h i e v e di nt h i s d i s s e r t a t i o na r ed e s c r i b e da sf o l l o w s 1 o nt h eb a s i so fd e s i g n i n gd e s i r a b l eh o tz o n ea n do p t i m i z i n gt h ec r y s t a lg r o w t hp r o c e s s p a r a m e t e r s ( i n c l u d i n gp u l l i n gr a t e ，s e e da n dc r u c i b l er o t a t i o n ，c r u c i b l ep o s i t i o n ，p r o t e c t i v eg a s f l o wr a t ea n dw o r k i n gp r e s s u r e ) 3 0 0m mn c zs i l i c o nc r y s t a lh a sb e e ns u c c e s s i v e l yg r o w n f o r t h ef i r s tt i m ei no u rc o u n t r yb ya d o p t i n gap r o p r i e t a r yt e c h n o l o g yo fn i t r o g e ng a sd o p i n g t h i s w o r kh a sl a i dt h ef o u n d a t i o no fd e v e l o p i n gh i g hq u a l i t ys i l i c o nw a f e r su s e df o ru l t r al a r g e s c a l ei n t e g r a t e d ( u l s i ) c i r c u i t s 2 t h ef o r m a t i o no fg r o w n - i no x y g e np r e c i p i t a t e si n3 0 0n l mn c zs i l i c o nh a sb e e ni n v e s t i g a t e d i nt h i sw o r k , t h er a m p i n ga n n e a li e ，t h ei s o t h e r m a la n n e a la ta ne l e v a t e dt e m p e r a t u r eo f 1 15 0 。cr a m p e du pf r o mas t a r t i n gt e m p e r a t u r e ( 6 0 0 10 0 0 。c ) w a se m p l o y e dt oe n a b l et h e g r o w t ho ft h eg r o w n - i no x y g e np r e c i p i t a t e sl a r g e rt h a n t h ec r i t i c a ls i z eo ft h es t a r t i n g t e m p e r a t u r es ot h a tf l o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n i n f r a r e ds p e c t r o s c o p ya n ds c a n n i n gi n f r a r e d m i c r o s c o p yc o u l db e u s e dt o m e a s u r et h ea m o u n to fp r e c i p i t a t e do x y g e na n do x y g e n p r e c i p i t a t ed e n s i t y , r e s p e c t i v e l y i ns u c haw a y , t h er a d i a ld i s t r i b u t i o n o fg r o w n - i no x y g e n p r e c i p i t a t e si n3 0 0n l mn c z s i l i c o nw a f e rw a sq u a l i t a t i v e l yi n v e s t i g a t e d i ti sr e v e a l e dt h a t t h eg r o w n - i no x y g e np r e c i p i t a t ed e n s i t yi nt h ea b n o r m a lo x y g e np r e c i p i t a t i o nr e g i o n ( g e n e r a l l yr e f e r st op - r e g i o n ) i sm u c hh i g h e rt h a nt h a ti n t h ev a c a n c y - t y p ed e f e c tr e g i o n ( g e n e r a l l yr e f e r st ov - r e g i o n ) m o r e o v e r , t h eg r o w n - i no x y g e np r e c i p i t a t e si nt h ev - r e g i o n e x h i b i ta st h el a r g e - s i z e dp r e c i p i t a t e sf o r m e da th i g ht e m p e r a t u r e sa n ds m a l l - s i z e do n e s f o r m e da tl o wt e m p e r a t u r e s w h i l e ，t h eg r o w n - i no x y g e np r e c i p i t a t e si nt h ep - r e g i o na r g c o n t i n u o u s l yf o r m e df r o mh i g l l t ol o wt e m p e r a t u r e s ，t h u sl e a d i n gt oac o n t i n u o u ss i z e d i s t r i b u t i o n s u c hr e s u l t sh a v e b e e nt e n t a t i v e l ye x p l a i n e di nt e r m so ft h ef o r m a t i o n m e c h a n i s m sf o rg r o w n - i no x y g e np r e c i p i t a t e sg e n e r a t e di nt h ev - a n dp r e g i o n s 3 t h ea n n i h i l a t i o no fv o i dd e f e c t si n3 0 01 1 1 1 1 1n c zs i l i c o nw a f e r sh a sb e e ni n v e s t i g a t e db y r e v e a l i n gt h ee v o l u t i o no f f l o wp a a e r nd e f e c t s ( f p d s ) d e l i n e a t e db yp r e f e r e n t i a le t c h i n gw i t h t h eh i g ht e m p e r a t u r ea n n e a l i n g i ti si n d i c a t e dt h a tt h ev o i dd e f e c t sc a nb er e m a r k a b l y a n n i h i l a t e db yt h ec o n v e n t i o n a lf u r n a c ea n n e a l i n ga t12 0 0 。cf o r4ho rb yt h er a p i dt h e r m a l a n n e a l i n ga t12 0 0 。cf o r3 0sw i t hac o o l i n gr a t eo f5 0 。c si na ra m b i e n t 4 t h ei n t e r n a lg e t t e r i n g ( i g ) p r o c e s sf o r3 0 0m i l ln c z s i l i c o nw a f e r sb a s e do nr a m p i n ga n n e a l h a sb e e nd e v e l o p e d h e r e i n ，as i m p l ea n n e a lr a m p i n gf r o ml o wt e m p e r a t u r et oe l e v a t e d t e m p e r a t u r ea n dt h e nw i t haf i n a li s o t h e r m a la n n e a li se m p l o y e d t oc r e a t ed e n u d e dz o n e ( d z ) a n db u l km i c r o d e f e c s ( b m d s ) r e g i o nw i t h i nn c zs i l i c o nw a f e r i nt h ep r e s e n ti gp r o c e s s ， c o n s i d e r a b l ea m o u n to fg r o w n - i no x y g e np r e c i p i t a t e sa r er a m p e da n dt h e ni n v o l v e di no x y g e n p r e c i p i t a t i o nd u r i n gt h ei s o t h e r m a la n n e a la te l e v a t e dt e m p e r a t u r e ，w h i c hi n t r o d u c e s al a r g e n u m b e ro fb m d s m o r e o v e r ，d zi ss i m u l t a n e o u s l yf o r m e db yt h ei s o t h e r m a la n n e a la t e l e v a t e dt e m p e r a t u r e s i r ma n dp r e f e r e n t i a le t c h i n gi n d i c a t et h a ta na p p r o p r i a t er a m p i n g a n n e a li n d e e de n a b l e sn c zs i l i c o nw a f e r st of o r md za n db m dr e g i o n , t h u sp o s s e s s i n gi g c a p a b i l i t y i ti sf o u n dt h a tt h et e r m i n a lt e m p e r a t u r eo fr a m p i n ga n n e a ls h o u l db eh i g he n o u g h t o c r e a t ed z ，a sar e s u l to ft h ed i s s o l u t i o no fo x y g e np r e c i p i t a t e sa n dt h es i m u l t a n e o u so x y g e n v o u t - d i f f u s i o no c c u r r i n gi nt h en e a r - s u r f a c er e g i o no fw a f e r o nt h eo t h e rh a n d t h es t a r t i n g t e m p e r a t u r eo ft h er a m p i n ga n n e a ls h o u l db el o we n o u g hi no r d e rt of o r ma p p r e c i a b l yh i g h d e n s i t yo fb m d s h o w e v e r , w i t hag i v e nt e r m i n a l l yh i g ht e m p e r a t u r e ，i ft h es t a r t i n g t e m p e r a t u r ei st o ol o w , t h ed zc a nn o tf o r m i ts h o u l db es t a t e dt h a tw i t hr e s p e c tt o t h e c o n v e n t i o n a lh i g h - l o w - h i g ht h r e e s t e pi gp r o c e s s ，t h er a m p i n ga n n e a lb a s e di gp r o c e s s f e a t u r e sar e l a t i v e l yl o wt h e r m a lb u d g e t 5 i no r d e rt ol o w e rt h ef o r w a r dp o w e rd i s s i p a t i o no fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sm a d eo fn n + e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e r s t h er e s i s t i v i t y o fs u b s t r a t es i l i c o n w a f i e r ss h o u l db em i n i m i z e d t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gh e a v i l ya s - p - d o p e dc z s i l i c o nc r y s t a l sw i t hu l t r al o wr e s i s t i v i t yi so f p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et e c h n o l o g ys t r a t e g i e sf o rt h eg r o w t ho fh e a v i l y a s - a n dp - d o p e dc zs i l i c o nc r y s t a l sw i t has e e dr e s i s t i v i t yr e s p e c t i v e l yl o w e rt h a n o 0 0 3 f 2 c ma n d0 0 015 f 2 c mh a v eb e e np r o p o s e d f o rs o l v i n gt h ei s s u e ss u c ha st h es e r i o u s v o l a t i l i z a t i o no fd o p a n t , c o n s t i t u t i o n a ls u p e r c o o l i n ga n dt h ed i f f i c u l t yo fc h a n g i n gs o l i d - l i q u i d i n t e r f a c e ，w h i c ha r ea r i s e nf r o mt h eu l t r ah e a v yd o p i n g ，t h eg u i d e l i n e sf o rd e s i g n i n gt h eh o t z o n ea n dd o p i n gt o o lh a v eb e e np u tf o r w a r d m o r e o v e r , t h ec r y s t a lg r o w t hp r o c e s sp a r a m e t e r s a r eo p t i m i z e da d d r e s s i n gt h es p e c i f i ci s s u e sa sm e n t i o n e da b o v e a sac o n s e q u e n c e ，t h e h e a v i l ya s - p - d o p e dc zs i l i c o nc r y s t a l sw i t hu l t r al o wr e s i s t i v i t yh a v eb e e ns u c c e s s f u l l y g r o w n i na d d i t i o n ，t h en i t r o g e n - d o p i n gh a s b e e np r o v e dt ob ea ne f f e c t i v ep a t h w a yt o e n h a n c eo x y g e np r e c i p i t a t i o ni nt h eh e a v i l ya s - p - d o p e dc zs i l i c o n f u r t h e r m o r e ，t h e e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e r so fs t r o n gi gc a p a b i l i t yu s i n gt h en i t r o g e nc o - d o p e dh e a v i l y 氏& 一 d o p e ds i l i c o nw a f e r sa st h es u b s t r a t e sh a v eb e e nf a b r i c a t e d t h em o s f e t d e v i c e sm a d eo f s u c hs p e c i f i ce p i t a x i a ls i l i c o nw a f e r sf e a t u r es m a l l e rl e a k a g ec u r r e n t sw i t hr e s p e c tt ot h o s e m a d eo ft h ec o n v e n t i o n a le p i t a x i a ls i l i c o nw a f e r s t h ea b o v e - m e n t i o n e dt e c h n o l o g i e sr e l a t e d t ot h eh e a v i l ya s p d o p e dc zs i l i c o nh a v eb e e ni s s u e dt h r e ep a t e n t s t h e yh a v eb e e n e x t e n s i v e l ye m p l o y e di nl a r g es c a l ep r o d u c t i o n ，b r i n ga b o u ts i g n i f i c a n tp r o f i t k e y w o r d s ：c z o c h r a l s k is i l i c o n ，d e f e c t s ，o x y g e np r e c i p i t a t i o n ，v o i d ，n i t r o g e nd o p i n g ， i n t e m a lg e a e f i n g ，h e a v yd o p i n g ，h o tz o n e 致谢 在论文完稿之际，要衷心感谢我的导师阙端麟院士和杨德仁教授，两位导师 严谨的治学态度、渊博的学识、宽厚仁和的长者风范在过去的几年中让我受益良 多，也会继续深刻地影响我今后的工作和生活。在此，谨向阙先生和杨老师致以 最崇高的敬意。 我还要特别感谢马向阳教授给予我的具体指导和帮助。当我迷茫的时候，他 的帮助让我认清方向继续前进，论文中诸多疑难问题的解决曾得到过他的指导。 马教授还在繁忙的工作之余抽出大量时间同我分析、解决论文中存在的问题，其 无私的精神让我钦佩。 感谢浙江大学硅材料国家重点实验室的樊瑞新高工、李东升副教授、汪雷副 研究员和欧海英老师等在我的学习和生活中给予的关心和帮助。感谢在浙江大学 硅材料实验室学习过或者正在学习的学弟学妹们，他们在我的部分实验中给了我 很大的帮助。我要特别感谢余学功博士、陈加和博士、陈培良博士、符黎明博士， 张泰生硕士、奚光平硕士，博士生曾俞衡以及硕士生王彪和武鹏等。 本论文部分实验工作是在宁波立立电子股份有限公司里完成的，特别要感谢 公司董事长李立本教授、总经理林必清先生等公司领导为我提供的各种有利条 件。还要感谢宫龙飞硕士、梁兴勃博士、林洪峰博士、何永增、周惠敏等同事， 他们在我的论文工作中提供了各种各样的帮助。 最后但不是最不重要的，我要感谢我的家人，他们默默无闻和任劳任怨的支 持是我不断前进的永恒动力! 田达晰 2 0 0 9 年8 月于杭州 浙江大学博士学位论文第一章前言 第一章前言 在过去的半个世纪中，半导体技术的发展彻底地改变了人类的生产和生活方 式。以集成电路为核心的信息电子产业已经超过以汽车、石油和钢铁为代表的传 统产业而跃居成为第一产业，是引领人类社会发展和改造传统产业的巨大引擎。 显然，基于半导体技术的信息电子产业在国民经济和社会发展中具有极其重要的 战略地位，它事关一个国家的经济和社会发展，并在提高人民生活水平和保障国 家安全等方面发挥着不可替代的作用。信息电子产业已经成为衡量一个国家综合 实力和现代化程度的重要标志之一。 集成电路技术是半导体技术中最重要的分支，它的发展可谓日新月异。在过 去的四十多年间，它的发展遵循着“摩尔定律”，即：集成电路的集成度和产品性 能大约每1 8 个月就增加一倍，但其生产成本和产品价格却相应降低一倍。在不 远的将来，此定律依然有效。目前，特征线宽为4 5 r i m 甚至3 2 n m 的集成电路已 经进入量产阶段。总的来说，集成电路向着“更快、更小、更便宜”的方向发展。 这一发展趋势对硅材料提出了“大直径和无缺陷”的要求。因此，3 0 0 r a m 直拉硅 片目前已经成为高端集成电路的主流材料，而且在以后相当长的时间内将占据主 导位置。“无缺陷”硅片的制造是硅材料工业界面临的一大挑战。从理论上来说， 在硅晶体生长阶段可以通过将晶体生长的速度与熔体晶体界面附近的温度梯度 之比控制在一个特定值上，就可以形成所谓的“完美晶体”。然而对具体实践而言， 上述要求过于苛刻，工艺控制的“窗口”太窄，而给大规模生产带来相当的困难。 事实上，对于集成电路而言，所谓的“无缺陷”要求是针对电路的有源区( a c t i v e a r e a ) 而提出的。以目前的极大规模集成电路为例，实际上仅要求硅片近表面区 域数微米深的区域内无缺陷即可，即形成所谓的洁净区。为了消除集成电路制造 过程中有源区所遭受的不可避免的金属沾污，人们提出利用硅片体内( 即：有源 区以下的区域) 的氧沉淀及其诱生缺陷来吸除( g e t t e r i n g ) 上述金属沾污，即所 谓的“内吸杂”。围绕着直拉硅片的“洁净区”和“内吸杂”，人们发展了硅材料的缺 陷工程。硅材料工业界和学术界都在致力于利用缺陷工程来获得“无缺陷”的硅 浙江大学博士学位论文 第一章前言 片。 硅片直径的增大会带来一系列的问题，比如：在晶体生长过程中空位的聚集 会形成空洞型缺陷，它们在抛光片表面会形成所谓的“晶体原生颗粒( c r y s t a l o r i g i n a t e dp a r t i c l e ，c o p ) 。由于大直径单晶硅一般是在磁场下生长的，因此 大直径硅片中的初始氧浓度较低。这将不利于氧沉淀，从而削弱硅片的内吸杂能 力。此外，大直径( 尤其是3 0 0 r a m ) 硅片的自重较大，在高温工艺中容易产生 位错滑移线，因此，增强硅片的机械强度显得尤其重要。为了解决上述问题，国 内外( 包括浙江大学硅材料国家重点实验室) 的研究人员提出在直拉单晶硅中掺 氮的技术途径。研究表明，掺氮可以增强直拉硅片的氧沉淀和机械强度，此外还 可以减小空洞型缺陷的尺寸和改变其形貌，从而使c o p 更容易消除。国际上最 大的硅片供应商一日本信越公司凭借其强大的研发力量和先进的制造技术在 国际上率先推出了多种规格的3 0 0 m m 掺氮直拉硅片，并且宣称相关种类的硅片 是综合性能最佳的。可以说，掺氮直拉硅片的推出是硅材料缺陷工程成功的又一 经典案例。浙江大学硅材料国家重点实验室早在上世纪八十年代就在国际上独创 了减压充氮直拉硅技术，这一技术的特点之一是利用气相法在直拉硅中掺氮。上 述技术转化为生产力后，在国际上首先批量生产了小直径掺氮直拉单晶硅。随着 时代的发展，利用气相掺氮技术来生长3 0 0 m m 直拉单晶硅势在必行，它关系到 发展具有我国自主知识产权的3 0 0 m m 掺氮直拉硅片产品。本论文在3 0 0 r a m 掺氮 直拉单晶硅的生长及其缺陷工程方面展开了研究，为开发极大规模集成电路用的 高质量硅片积累一定的知识和技术基础。 功率半导体器件是半导体技术产物中的重要组成部分，它们起着对电能的处 理与变换的作用，广泛地应用于电源、伺服驱动、变频器、电机保护器等功率电 子设备。随着通信( c o m m u n i c a t i o n ) 、计算机( c o m p u t e r ) 、消费电子 ( c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 和汽车( c a r ) 等“4 c 产业”的发展，功率半导体 器件的应用范围日益广泛，已经成为国民经济各大支柱产业的基础。更为重要的 是，在全球能源日益紧张的情况下，功率半导体器件在节约电能方面起着重要的 作用。此外，功率半导体器件已经渗透到航空、航天和导弹等国防建设的各个领 域。完全可以认为，功率半导体器件与集成电路一样，在当今的人类社会中发挥 着不可或缺的作用。 2 浙江大学博士学位论文 第一章前言 由于功率半导体器件通常工作在大电流条件下，而且电流垂直流过器件，因 而在器件的导通状态下，作为衬底的硅片将消耗一部分功率。为了最大幅度的减 少这一部分功率，就要求减小硅片衬底的电阻率，以减小功率器件的“导通电阻”。 应该指出的是，器件的额定电压越低( 如：手提电脑、手机和个人掌上电脑中应 用的功率器件) ，硅片衬底的电阻率对器件“导通电阻的影响就越大。通常利 用n n + ( 重掺n 型) 结构的外延片来制造功率器件，而重掺n 型单晶硅是制造外 延片衬底的基础，因此，生长重掺n 型单晶硅对于制造功率器件具有重要的意义。 随着节能要求的日益提高，进一步降低功率半导体器件的功耗显得尤为重要，这 就要求尽可能地降低重掺n 型单晶硅的电阻率。近年来，器件厂商要求重掺砷单 晶硅的直径达到6 英寸甚至8 英寸，而电阻率小于0 0 0 3 q c n l ；对重掺磷单晶硅 来说，要求直径达到6 英寸，而电阻率小于0 0 0 1 5 q c m 。上述这些要求对重掺 n 型单晶硅的生长带来了近乎极限的挑战。几年前，仅有国际上领先的硅材料厂 家可以商业化生产上述单晶硅，相关的技术处于完全保密状态。为了提升我国在 重掺n 型单晶硅方面的研发水平，本论文以极低电阻率的重掺砷和重掺磷直拉单 晶硅的生长作为研究课题之一，针对相关的问题开展了技术攻关，在热场设计和 掺杂技术方面取得突破的基础上，成功地生长出满足上述要求的重掺n 型单晶。 经过系统的工艺优化，形成了成套的生长极低电阻率的重掺砷和重掺磷直拉单晶 硅的技术，并应用于大规模工业化生产，取得了显著的经济和社会效益。此外， 本文还在上述重掺n 型单晶硅的缺陷工程方面开展了一定的研究。 总之，本论文针对近年来集成电路和功率半导体器件对直拉单晶硅提出的 新要求，在若干具有重要技术意义的直拉单晶硅的生长及其缺陷工程方面开展了 研究工作，取得了一些具有创新意义的结果。本论在行文上的安排如下： 第一章是前言，介绍了本论文研究的背景及其意义。 第二章是文献综述，总结了与本论文相关的在直拉单晶硅的生长及其缺陷的 研究方面已取得的成果。 第三章介绍本论文在3 0 0 m m 掺氮直拉单晶硅生长方面取得的结果。该章包 括了热场的设计、气相掺氮技术的研究以及晶体生长工艺的优化等内容。 第四章为3 0 0 m m 掺氮直拉单晶硅的原生缺陷的研究。该章一方面包括了 3 0 0 m m 掺氮直拉硅片的原生氧沉淀的径向分布的研究结果，另一方面则涉及空 3 浙江大学博士学位论文 第一章前言 洞型缺陷在不同热处理方式下的消除情况。 第五章为掺氮直拉硅片的内吸杂工艺的研究。介绍本论文提出的一种新的内 吸杂工艺及各种因素对洁净区和吸杂区形成的影响。 第六章介绍本论文在极低电阻率的重掺n 型直拉单晶硅生长方面取得的进 展。该章在分析了重掺砷、磷直拉单晶硅的生长所面临的问题的基础上，提出了 相关的热场设计和掺杂工具设计的基本思想。在此基础上优化了晶体生长工艺， 从而生长出电阻率极低的重掺砷、磷直拉单晶硅。此外，本章还在上述重掺n 型单晶硅的氧沉淀方面做了一定的研究。 第七章为全文的总结。 4 浙江大学博士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述直拉单晶硅的生长及其缺陷的研究 2 1 引言 直拉单晶硅是最重要的单晶硅，所有的硅基集成电路都是利用直拉单晶硅